DE19634365A1 - Verfahren und Anordnung zur Bestimmung der Phasenverschiebung zweier korrelierter Signale - Google Patents
Verfahren und Anordnung zur Bestimmung der Phasenverschiebung zweier korrelierter SignaleInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur meßtechnischen Bestimmung der
Phasenverschiebung zwischen Testsignalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Anordnung zur Durchführung des
Verfahrens.
Dieses Verfahren zur Bestimmung der Phasenverschiebung zweier korrelierter Si
gnale läßt sich beispielsweise im Rahmen eines Verfahrens zur Adhäsionsregelung
elektrischer Triebfahrzeuge anwenden.
In der EP-A2-0621 156 ist ein Verfahren zur Steuerung und Regelung eines elektri
schen Antriebes eines Fahrzeugs beschrieben, mit dem eine Adhäsionsregelung
unter Vorgabe eines bestimmten Arbeitspunktes auf der jeweiligen Kraftschlußkenn
linie, also des Kraftschlußbeiwerts als Funktion der Schlupfgeschwindigkeit, ermög
licht ist. Das Verfahren erlaubt bei Schienenfahrzeugen eine Hochausnutzung des
Rad-Schiene-Kontaktes beispielsweise durch Vorgabe eines Arbeitspunktes, der
kurz vor dem Erreichen des jeweiligen Kurzschlußmaximums liegt. Der gewählte Ar
beitspunkt wird dabei durch die Steigung der Kraftschlußkennlinie am Arbeitspunkt
definiert. Auf diese Weise wird bei wechselnden Schienenverhältnissen und damit
wechselnden absoluten Kraftschlußmaxima ein Überschreiten des jeweiligen Maxi
mums vermieden, also ein stabiler Fahrbetrieb ohne Schleuder- oder Gleitzustände
erreicht.
Da für diese Art der Adhäsionsregelung zu jedem Zeitpunkt die Steigung der jeweils
gültigen Kraftschlußkennlinie bestimmt werden muß, die Steigung der Kennlinie aber
nicht direkt meßbar ist, wird in der EP-A2-0621 156 vorgeschlagen, eine Ersatzgrö
ße heranzuziehen, deren Zusammenhang mit der Steigung bestimmt wird und somit
bekannt ist. Als Ersatzgröße wird dabei die Phasenverschiebung zwischen ein
gangsseitigen und ausgangsseitigen Testsignalen benutzt. Zu diesem Zweck wird
einer Eingangsgröße des Antriebssystems, vorzugsweise dem Momentensollwert ein
sinusförmiges Testsignal überlagert. Reaktionen der mechanischen Komponenten
des Antriebssystems, also des Fahrmotors, des Getriebes, der Antriebswellen, der
Räder und des Rad-Schiene-Kontaktes bewirken eine Änderung des Testsignals,
das ausgangsseitig beispielsweise aus einem Winkelgeschwindigkeitsmeßwert gefil
tert wird.
Bezüglich eines Verfahrens zur meßtechnischen Bestimmung der Phasenverschie
bung zwischen diesen ein- und ausgangsseitigen Testsignalen wird in der
EP-A2-0621 156 auf eine weitere Druckschrift, nämlich die EP-B1-0195 249 verwie
sen. Dort ist ausgeführt, daß eine Korrelationsrechnung, z. B. eine Polaritätskorrela
tion (Zweipunkt-Korrelation) in einem Korrelator durchgeführt wird und das Ergebnis
in einem Auswerter bezüglich Amplitude und Phase ausgewertet wird. Weitere Ein
zelheiten zu einem Verfahren zur Bestimmung der Phasenverschiebung sind nicht
angegeben.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein konkretes, im Rahmen eines
Adhäsionsregelverfahrens anwendbares Verfahren zur Bestimmung der Phasenver
schiebung zwischen - bezogen auf einen elektrischen Fahrzeugantrieb - ein- und
ausgangsseitig korrelierten Testsignalen anzugeben. Außerdem soll eine Anord
nung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur meßtechnischen Bestimmung der Pha
senverschiebung zweier korrelierter Signale nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1
durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Ausgestaltungen sowie eine An
ordnung zur Durchführung des Verfahrens sind in weiteren Ansprüchen angegeben.
Das Verfahren beruht auf einer Anwendung des bekannten Verfahrens der orthogo
nalen Korrelation. Als Meßwerte werden ein Testsignal T, das einer Eingangsgröße
eines Fahrzeugantriebs überlagert wird, sowie ein aus einem Geschwindigkeits
meßsignal gefiltertes ausgangsseitiges Testsignal TA herangezogen. Es erfolgt eine
Adaption und Optimierung des Verfahrens bezüglich Reaktionszeit sowie Realisie
rungsmöglichkeiten mittels üblicher leittechnischer Mittel. Das bedeutet, daß das
ausgangsseitige Testsignal TA mit einem auf die Testsignalfrequenz ausgelegten
Bandfilter gefiltert wird und daß zur verfahrensgemäßen Mittelwertbildung statt übli
cher Tiefpäße zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit vorzugsweise Bandsper
ren verwendet werden.
Eine ausführlichere Beschreibung der Erfindung einschließlich deren Vorteile erfolgt
nachstehend anhand von Zeichnungsfiguren und der Darlegung der theoretischen
Grundlagen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der orthogonalen Korrelation und
Fig. 2 die Struktur einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur
Bestimmung der Phasenverschiebung und des Betrags zweier korre
lierter Signale.
Das Verfahren arbeitet bezüglich der Zielsetzung ähnlich wie ein sogenannter Fre
quenzgangsmeßplatz. Jedoch weist dieses Verfahren andere Anforderungen und
Randbedingungen gegenüber Frequenzgangsmeßplätzen auf:
- 1. Das Ziel des Verfahrens ist die Bestimmung von Betrag und/oder Phase bei einer fest vorgegebenen Testsignal- oder Beobachtungsfrequenz des zu mes senden Systems (Prüflings oder Meßobjekts). Damit weist das Verfahren im Vergleich zum Frequenzgangsmeßplatz eine Gemeinsamkeit, nämlich die Be stimmung des Frequenzgangs, auf. Jedoch arbeitet das letztere mit beliebig vielen Frequenzen, welche durch Wobbler, Synthesizer oder Mitlauf generatoren als Quelle realisiert werden und durch eine bestimmte Meßzeit charakterisiert sind. Meßobjekte oder Prüflinge von Frequenzgangsmeßplätzen sind in der Regel Bauteile wie Filter, Verstärker und Mischer, bis hin zu kom plexen Systemen mit zahlreichen Bauteilen, Steckverbindern und Kabeln.
- 2. Das Verfahren bestimmt die zu messenden Größen wie Imaginär-, Realteil, Betrag und/oder Phase eines generell nichtlinearen Systems. Die kontinuierli chen Änderungen der zu bestimmenden Meßgrößen beschreiben das nichtli neare Verhalten des Systems. Frequenzgangsmeßplätze können generell nur bei linearen Systemen eingesetzt werden.
- 3. Die zu ermittelnden Meßgrößen müssen nach Punkt 2 kontinuierlich erfaßt werden. Demzufolge ist eine Meßzeit zu vermeiden oder zumindest zu minimie ren. Dieses bedeutet beispielsweise, daß das Einschwingverhalten des Meß verfahrens, z. B. der einzelnen Filter des Korrelationsverfahrens minimiert wer den muß.
- 4. Die zu ermittelnden Größen werden durch Auswertung einer stark gestörten Meßinformation wie Drehzahl oder Beschleunigung berechnet. Daher muß das Verfahren bezüglich Störungen sehr robust sein.
- 5. Das Verfahren muß auf leittechnischen Einrichtungen, beispielsweise auf Spei cherprogrammierbaren Steuerungen realisierbar sein.
Im folgenden wird eine Meßanordnung auf der Basis eines aus Isermann, R.: Iden
tifikation dynamischer Systeme, Bd. I, Springer Verlag, 1988, bekannten Korrela
tionsverfahrens beschrieben, das die Phase bei einer festen, vorgegebenen Beob
achtungsfrequenz meßtechnisch ermittelt und somit zur Bestimmung der Steigung
der Kraftschlußkennlinie verwendet werden kann.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der nachstehend erläuterten orthogona
len Korrelation.
Zur Messung von Frequenzgängen linearer System sind besonders Korrelations
verfahren geeignet, bei denen ein periodisches Testsignal u(t) und das entspre
chende Ausgangssignal y(t) korreliert werden. Mit Hilfe der orthogonalen Korrelation
lassen sich Frequenzgangwerte, also Betrag und Phase, für eine bestimmte Fre
quenz aus zwei Punkten der Kreuzkorrelationsfunktion (KKF) berechnen. Dieses
Verfahren wird hier für die Berechnung der Phasenverschiebung zwischen dem Mo
mentensollwert und der Winkelgeschwindigkeit der Motorwelle verwendet. Nach ei
ner kurzen Zusammenstellung der theoretischen Grundlagen werden vor allem die
Umsetzung des Meßprinzips auf Rad-Schiene-Systeme behandelt.
Theoretische Grundlagen gemäß R. Isermann:
Bei einem linearen System mit der Laplace-Übertragungsfunktion G(s) erhält man als Systemantwort auf ein periodisches Testsignal
Bei einem linearen System mit der Laplace-Übertragungsfunktion G(s) erhält man als Systemantwort auf ein periodisches Testsignal
u(t) =uo·sinωot (1)
mit der Anregungsfrequenz
das Ausgangssignal
y(t) =uo·|G(jωo)|·sin(ωot-ϕ(ωo)) (3)
und die zugehörige Kreuzkorrelationsfunktion (KKF)
Für die Berechnung der Frequenzgangwerte (Betrag und Phase) für eine bestimmte
Frequenz ist nicht der vollständige Verlauf der KKF in Abhängigkeit von T erforder
lich. Real- und Imaginärteil des Frequenzganges lassen sich bei einer sinusförmigen
Anregung aus zwei Punkten der KKF berechnen.
Bei einem sinusförmigen Testsignal muß also das Ausgangssignal im ersten Fall mit
dem Testsignal, im zweiten Fall mit dem um den Phasenwinkel π/2 verschobenen
Testsignal multipliziert werden und der zeitliche Mittelwert der Produkte gebildet
werden. Betrag und Phase des Frequenzganges erhält man schließlich aus den Be
ziehungen
Für die Identifikation der Phasenverschiebung nach dem erläuterten Prinzip wird der
Eingangsgröße des Prozesses, z. B. dem eigentlichen Momentensollwert MS des
Antriebs ein periodisches Testsignal mit einer Frequenz von z. B. fB = 10 Hz und einer
Amplitude von ungefähr zwei bis fünf Prozent der maximalen Eingangsgröße, also
des Momentensollwerts Ms überlagert.
Die resultierende Winkelgeschwindigkeit ωM oder auch die Beschleunigung der
Motorwelle, oder der Radachse beinhalten daher Frequenzanteile, die aufgrund des
eigentlichen Momentensollwerts und der Frequenzkomponente des Testsignals
entstehen. Ein auf die Testsignalfrequenz ausgelegtes Bandpaßfilter BP, in der Re
gel ein Filter höherer Ordnung, filtert alle Störkomponenten aus dem Geschwindig
keitssignal heraus, so daß es nur noch die Frequenzkomponente des Testsignals
enthält. Als Mittenfrequenz des Bandpaßfilters wird die Beobachtungsfrequenz, also
die Testsignalfrequenz gewählt. Damit ergibt sich keine zusätzliche Phasen
verschiebung durch das Filter.
Das gefilterte Signal wird im ersten Fall mit dem Testsignal selbst, im zweiten Fall
mit dem um den Phasenwinkel π/2 verschobenen Testsignal multipliziert und an
schließend der zeitliche Mittelwert der Produkte gebildet. Dadurch erhält man den
Imaginär- und Realteil Im bzw. Re, d. h. Betrag und Phase des Frequenzgangs bei
der vorgegebenen Testsignal- oder Beobachtungsfrequenz.
Zur Berechnung der Phase wird das oben aufgeführte Verfahren der orthogonalen
Korrelation adaptiert. Damit berechnet das Verfahren die Phasenverschiebung zwi
schen dem Momentensollwert Ms und beispielsweise der Winkelgeschwindigkeit ωM
der Motorwelle. Die Mittelwertbildung der Produkte aus testsignalanteiliger Winkel
geschwindigkeit ωM,BP mit Sinus- und Cosinus-Komponente (vgl. Blöcke sin bzw. cos
in Fig. 2) könnte beispielsweise durch Tiefpaßfilter erfolgen. Damit eine gute Mittel
wertbildung erzielt wird, müssen die Tiefpaßfilter die oben erwähnten Produkte sehr
gut glätten. Damit ergibt sich in Bezug auf die erwähnte Testsignalfrequenz von
fB = 10 Hz beispielsweise eine Grenzfrequenz von fTP = 1 Hz. Diese Tiefpaßfilter, in
der Regel Filter höherer Ordnung, weisen jedoch ein Verzögerungsverhalten auf,
welches sich auf die Reaktionszeit (Meßzeit) des Meßsignals auswirkt. Die Mittel
wertbildung wird um so besser, desto kleiner die Grenzfrequenz der Filter ausgelegt
wird. Jedoch steigt mit kleiner werdender Grenzfrequenz die Verzögerung der Tief
pässe und damit wieder die Reaktionszeit des Verfahrens.
Durch trigonometrische Umformung der oben aufgeführten Produkte nach folgenden
Gleichungen
erhält man bei der Testsignalfrequenz ωT die Ergebnisse
Durch die jeweilige Multiplikation erhält man einen Gleichanteil
und eine Frequenzkomponente
welche sich durch Frequenzverdoppelung der Testsignalfrequenz ergibt. Die Mittel
wertbildung kann nun, im Gegensatz zur Anwendung mit Tiefpaßfiltern, durch Her
ausfiltern der doppelten Testsignalfrequenz mittels einer Bandsperre BS, in der Re
gel ein Filter höherer Ordnung, realisiert werden. Die Sperrfrequenz der Bandsperre
wird also auf die doppelte Testsignalfrequenz ausgelegt.
Im Vergleich zum Verzögerungsverhalten der Tiefpässe kann durch die erfindungs
gemäß bevorzugte Anwendung der Bandsperre bei ähnlicher Glättungscharakteristik
etwa ein um den Faktor 2 schnelleres Meßsignal erzielt werden, welches sich auch
wesentlich auf die Reglerdynamik bei der Anwendung in einem geschlossenen Re
gelkreis auswirkt. Die Berechnung der Phasenverschiebung ϕ(ω()) durch den Block
atan und des Betrags |G(jω()| durch den Block sqrt erfolgt nach Gleichung 7 bzw.
8.
Claims (5)
1. Verfahren zur Bestimmung der Phasenverschiebung -zwischen
- - einem eingangsseitigen Testsignal T, das einer Eingangsgröße - vorzugsweise einem Momentensollwert - eines elektrischen Antriebs eines Fahrzeugs überla gert wird, und
- - einem ausgangsseitigen Testsignal TA, das aus einem Winkelgeschwindigkeits- Meßsignal ωM oder einem Winkelbeschleunigungs-Meßsignal gefiltert wird, das am mechanischen Ausgang des Antriebs, insbesondere an einer Motorwelle meßtechnisch erfaßt wird,
dadurch gekennzeichnet daß
- a) die Filterung des Winkelgeschwindigkeits-Meßsignals ωM unter Verwendung eines Bandfilters erfolgt, das auf die Frequenz des Testsignals T als Bandmittenfrequenz ausgelegt wird, und
- b) die Bestimmung der Phasenverschiebung ϕ unter Anwendung des Verfah rens der orthogonalen Korrelation erfolgt, wobei
- - ein erstes Produkt (T·TA) aus dem eingangsseitigen Testsignal T und dem ausgangsseitigen Testsignal TA gebildet wird,
- - ein zweites Produkt (TPh·TA) aus einem um den Phasenwinkel π/2 ver schobenen Testsignal TPh und dem ausgangsseitigen Testsignal TA gebil det wird,
- - jeweils die zeitlichen Mittelwerte der so gebildeten Produkte (T·TA bzw. TPh·TA) gebildet werden und
- - die Phasenverschiebung ϕ bestimmt wird als Arcustangens des Quotien ten aus den beiden Produkten (T·TA bzw. TPh·TA)
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel
wertbildung der Produkte jeweils durch Filterung mittels einer Bandsperre erfolgt,
deren Sperrfrequenz auf die doppelte Frequenz des Testsignals T ausgelegt ist.
3. Anordnung zur Durchführung des Vefahrens nach Anspruch 1 oder 2,
wobei
- - einem elektrischen Antrieb eines Fahrzeugs ein Momentensollwert zugeführt ist, dem ein sinusförmiges Testsignal T überlagert ist,
- - am Antriebsausgang die Winkelgeschwindigkeit mittels einer Meßeinrich tung erfaßt ist und aus dem so gebildeten Meßsignal ein ausgangsseitiges Testsignal TA gefil tert ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
- a) zur Filterung des Meßsignals ein Bandfilter angeordnet ist, dessen Bandmit tenfrequenz die Frequenz des Testsignals T ist,
- b) Mittel zur Multiplikation des ausgangsseitigen Testsignals TA mit dem sinus förmigen eingangsseitigen Testsignal T bzw. mit dem um den Phasenwinkel π/2 phasenverschobenen Testsignal TPh vorhanden sind,
- c) jeweils Bandsperren BS zur Filterung der so gebildeten Produkte vorhanden sind, deren Sperrfrequenz auf die doppelte Frequenz des Testsignals T ausgelegt ist, und
- d) Mittel vorhanden sind zur Bestimmung der Phasenverschiebung ϕ als Arcus tangens des Quotienten aus den beiden Produkten (T·TA bzw. TPh·TA).
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